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一些哺乳動物擁有應對漫長冬季的有效方法——沉睡度過。 例如，黑熊（Ursus americanus）可以冬眠五到七個月，期間不吃不喝，也不見天日。
除了體重減輕和可能有點昏昏沉沉之外，當它們在春天從洞穴中出來時，看起來並沒有受到任何損害。它們成功冬眠的秘密一直困擾著科學家們，儘管長期不活動，骨骼和肌肉質量仍然完好無損。科學家們很難在自然條件下持續監測這些大型動物。
一項新的研究深入探討了這種代謝停滯狀態，這可能最終被證明在醫學上有用，用於在創傷後或長期不活動期間儲存人體組織（透過降低能量和氧氣需求）——如果科學家能夠找到導致這些轉變的基因通路。“我們只需要學習如何開啟和關閉這些通路，以誘導一種能夠利用不同程度冬眠的狀態，”阿拉斯加大學費爾班克斯分校北極生物學研究所的Øivind Tøien和這項新研究的合著者在一份準備好的宣告中說道。
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與較小的冬眠動物（如土撥鼠）不同，土撥鼠可以讓體溫接近冰點，而體重 34 至 104 公斤的黑熊在蟄伏期間保持相對較高的體溫，為 30 至 36 攝氏度。 大多數其他冬眠動物都被觀察到，體溫每降低 10 攝氏度，它們的代謝率就會減半。 但黑熊的代謝率降低了 75%，而體溫平均只降低了五到六度。
研究人員發現，更不尋常的是，熊的體溫在多天內呈週期性變化。（較小的冬眠哺乳動物會經歷自發性覺醒期，在此期間它們會升高體溫。）
“我們知道熊在冬眠期間體溫會降低到一定程度，”Tøien 說。 但他和他的同事發現，“這些黑熊在多天的時間裡以可變的週期調節其核心體溫，這在較小的冬眠動物中是看不到的，而且我們也不知道以前在哺乳動物中看到過。” 溫度週期從 1.6 天到 7.3 天不等。
這項工作的成果於 2 月 17 日在華盛頓特區舉行的美國科學促進會年會上釋出，並將於 2 月 18 日發表在《科學》雜誌上。
為了這項研究，研究人員從阿拉斯加中部收集了五隻黑熊，並將它們運送到費爾班克斯附近一片林地中散佈的模擬冬眠洞穴。 在整個秋季、冬季和春季，植入的無線電發射器跟蹤心率、體溫和肌肉運動，空氣感測器記錄氧氣和二氧化碳水平以評估呼吸和代謝率。 紅外攝像機記錄了熊的活動。
“它們的功能很像一個封閉系統——它們只需要空氣，”同樣來自北極生物學研究所和該研究的合著者 Brian Barnes 在新聞釋出會上說。 熊每兩天變換姿勢或起身一到四次，並且可以觀察到它們在體溫降至接近 30 攝氏度時會顫抖以升高體溫。
作為整體代謝下降的一部分，熊的心率從夏季的每分鐘 55 次大幅減慢。 在冬眠期間，心率會在呼吸之間降至每分鐘 9 次——呼吸通常每分鐘只發生一到兩次——然後隨著每次吸氣而加快。 Tøien 說，“熊表現出這種現象的極端形式”，即竇性心律不齊，其中心率隨呼吸而變化。
雌熊甚至會在冬眠期間妊娠、分娩和哺乳，研究中唯一一隻懷孕的熊的代謝與其他熊一致，但在幼崽出生前保持較高的體溫。 研究人員認為，保持較高和更穩定的體溫可能對胚胎髮育很重要。
當熊在春天離開它們的實驗性洞穴時，它們的平均靜息心率從夏季水平的 26% 上升到約 43%，並且核心體溫很快恢復到接近夏季水平。 但 Tøien 在新聞釋出會上指出，它們的代謝在幾周內都很遲緩，這“非常令人驚訝”。
該研究的部分資金來自美國軍方，Barnes 在新聞釋出會上指出，美國軍方對可能改善受傷退伍軍人康復的工作感興趣，這些退伍軍人通常在因其他傷害長期臥床康復後不得不與肌肉萎縮作鬥爭。
他解釋說，熊在冬眠期間“非常不動”，“但不知何故，它們欺騙了它們的組織——它們的骨骼和肌肉——讓它們認為自己在工作。” 其他實驗室目前正在尋找可能隱藏在這種睡眠技巧背後的分子途徑。
正如德國馬爾堡菲利普大學動物生理學系的 Gerhard Heldmaier 在同一期《科學》雜誌上發表的一篇論文中解釋的那樣，蟄伏狀態的代謝通常以三磷酸腺苷（或 ATP）的減少為特徵，三磷酸腺苷參與細胞內的能量轉移。 但是，參與這種轉變的確切途徑仍然未知。
“如果我們能夠發現這種保護的遺傳和分子基礎，以及降低代謝需求的機制，”Barnes 在一份準備好的宣告中說，“那麼我們有可能開發出新的療法和藥物用於人類，以預防骨質疏鬆症、肌肉廢用性萎縮，甚至將受傷的人置於一種暫停或降低活性的狀態，直到他們能夠被送往先進的醫療護理——將黃金一小時延長到黃金一天或黃金一週。”
而且，正如 Tøien 在 AAAS 會議上指出的那樣，冬眠的技巧甚至可以輸出到外太空，以幫助人類應對零重力的不利影響。